便攜式接觸網測量儀的研制

陳興功 王 璐 上海鐵路局杭州供電段

在電氣化鐵路供電系統中，電力機車通過受電弓從接觸網導線獲得電能，經過長時間的運行，接觸導線磨耗引起導線截面減小，導線電阻增大，導致接觸導線發熱，加劇導線磨損。如果掉線截面過小，將導致斷線，將給鐵路運營帶來巨大損失。所以及時有效地對接觸線進行測量，顯得尤為重要。

按照現有的檢測手段，利用天窗時間封鎖線路，工人拿卡尺站在梯車平臺上近距離檢測。在提速后車輛密度增加，行車間隔縮短的情況下，該工作方式測量速度慢、效率低的問題尤為突出，所以急需要一種便捷有效的測量方式來提高工作效率。

1 方案選定

本方案采用了測量接觸線殘高的測量方式。測量儀分為數顯量具和手持式記錄器兩部分,如圖1所示。

圖1 數顯量具和手持式記錄器

數顯量具帶有彈簧的夾口，可以很方便迅速的夾在接觸線上，手持式記錄器，與數顯量具連接，能夠顯示測量得到的數據，并將數顯量具測得的數據存儲于存儲器中。測量過程中，工人僅需要將數顯量具卡住接觸線，不需要人工讀數測量，直接取得殘高值，并且儀器自動記錄測量時間、測量數據、測量標識號，免去了人工記錄的繁瑣，杜絕了人為錯誤記錄。

采用本方案有以下優點：

(1)精度高：容柵式數顯量具精度可以達到0.01 mm，甚至可以達到0.001 mm，完全滿足現場精度的要求。

(2)檢測直觀方便：手持式設備的液晶顯示屏能將測量數據實時顯示，并且根據線型參數實時報警。

(3)設備經濟實用，適于推廣：容柵數顯量具的價格適中，手持式記錄器方便實用，通過計算機自動查表換算，將殘高值換算成相應的面積，完全省去了繁瑣的人工查表過程，減輕了現場工作壓力，提高了工作效率，也提高了工作的正確性。非常適合現場推廣。

2 數顯量具的數據輸出

一般常見容柵式數顯量具輸出接口采用一種同步串行傳輸方式，在模塊組件設計了一個金手指接口，依次是電源地（Vneg）、數據（Data）、時鐘（Clock）、電源（Vpos），如圖 2所示。

圖2 容柵式數顯量具輸出接口

通過示波器實際測量，可以見到如圖3所示波形。上方波形是時鐘（Clock），下方波形是數據（Data）。數據的電平為1.5 V。在普通模式下，每隔0.3 s發送一組數據。

通過波形邏輯分析，得出輸出數據的組成關系如圖3。發送每組48位數據，前24位是絕對參數，這個數據和數顯量具的參數有關。后24位是相對參數，這個就是我們需要的測量值，它的數據組成是低位在前。

圖3 示波器實際測量波形

3 手持式記錄器的設計

根據現場的需要，要求手持式記錄儀除了能夠獲取數顯量具的數據外，還要有實時報警功能、數據記錄功能、時鐘功能。設計框圖如圖4。

圖4 手持式記錄儀設計框圖

主控芯片選用Silicon Laboratories公司的C8051F310單片機作為主控制器，它是一種完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，內部集成了大量功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories專利的高速CIP-51微控制器內核，70%的指令執行時間為一個或者兩個系統時鐘周期,是標準8051指令執行速度的12倍。工作電壓為2.7 V～3.6 V，典型工作電流為5mA，低功耗的特性適合便攜式設備設計。

通過整形放大電路將數顯量具輸出的時鐘和數據信號接入單片機IO口，配置外部中斷資源。通過軟件處理將數據讀取并轉化成需要的形式。

儀器中設計了相應的時鐘芯片、EEPROM存儲器、USB接口電路、點陣式液晶模塊、按鍵、蜂鳴器。

4 程序設計

接觸線殘高測量儀的軟件主要分記錄器單片機程序、上位機程序。手持式記錄器內的單片機程序主要完成對手持設備內元件的初始化、單片機內資源配置及相關應用模塊的調用。不但要完成數顯量具發送的數據的解釋和換算，還包含了液晶菜單顯示、存儲器管理、密碼管理、電能監視等功能，所以程序管理顯得尤為重要。

在設計過程中，采用了狀態機的方式來管理各個功能。程序中MenuState用于標識菜單編號，不同的取值代表不同的功能界面，在主循環中對其進行判斷，進入相應的菜單子函數，每個菜單子函數首先載入相應的顯示內容和輸入輸出信息，子函數完成后，對MenuState返回一個值，實現進入下一級菜單或回到主界面的功能。程序簡單易行，便于進一步擴展。 以下是部分源程序。while(1)//主循環函數

{

switch(MenuState)//狀態標識符

{

case 0： MenuScreen();break;//主菜單顯示界面 0 case 1： SaveDocScreen(1);break;//存檔選擇界面(1=進入工作)

case 2： SaveDocScreen(2);break;//存檔選擇界面(2=瀏覽)

case 3： SetScreen();break;//設置界面 3

case 11：FileScreen(KeyState);break;//存檔信息界面11

case 111：WorkScreen(KeyState);break;//工作界面 111

case 21：ScanScreen(KeyState);break;//瀏覽界面 21

case 31：PasswordScreen();break;//密碼設置界面 31

case 32：TimeSetScreen();break;//時間設置界面 32

default：break;}}

上位機程序采用VisualBasic編寫，通過MSCOMM控件與儀器實現通訊。USB連接后，軟件可以自動檢測到設備，手持儀器中選擇需要傳輸的數據檔，將數據傳輸到上位機程序后，程序可根據獲取的數據自動解釋出作業地點、作業時間、接觸線線型、工號、測量數據等，并將其繪制成Excel表格。根據測量得到得殘高值，軟件自動查表得出磨損面積，省去了繁瑣的人工查表。程序界面見圖5。程序生成的Excel表格見圖6。

圖5 程序界面見圖

圖6 程序生成的Excel表格

5 現場試驗和后期改進工

試制成功的便攜式接觸網測量儀交付杭州鐵路供電段金華電力工區現場試驗，對該儀器進行了模擬試驗，并在窗口時間進行現場實測。在試驗過程中同時采取傳統測量方法進行對比，便攜式接觸網測量儀在工作效率、測量精度以及制表正確率上都大大提高，得到了現場廣泛好評。

根據現場工人試驗的反饋意見，結合目前電氣化鐵路發展要求，便攜式接觸網測量儀要結合無線數據傳輸技術和GPS全球定位技術，自動標示測量值的位置信息和時間信息，通過數據庫技術分析測量得到的數據，進行總體的分析和估算，提高對現場的設備的監測力度和效率，為智能化鐵路建設作出貢獻。

6 結論

本設計針對現場工作情況，設計并制作了實用的便攜式接觸線測量設備，在經濟性、便捷性、有效性上取得了比較理想的效果，適合推廣。